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智能机器人研发平台

时间:[2018-01-08]  来源:

一、背景

在智能制造技术高速发展的时代背景下,机器人技术与网络技术、人工智能技术结合,新型态的机器人得到了飞速发展并进一步向网络化、智能化发展。为了更好的完成各种任务,机器人需要逐步适应复杂外部环境,胜任多机协作和人机协作,为了实现以上要求,我们不仅发展传统机器人硬件技术,更需要加强机器人软件研制,机器人操作系统作为机器人大脑是重中之重,其研制意义重大,因此机器人技术研究平台建设以支撑机器人操作系统及相关功能开发为重点。

二、目标

为了满足智能制造工程研究院发展机器人和人工智能技术的需要,该平台拟建设为“柔性平台”。该平台不仅适合开展基于机器人操作系统的研究,而且具备丰富的传感器资源,可针对机器人操作系统上层应用模块进行开发,如开发图像识别、语音识别、文本识别、轨迹规划、感知融合、深度学习、人机协作、多机协作等上层应用,使人工智能技术、互联网技术与机器人技术相结合,同时结合大数据计算、云技术等提高机器人性能。

三、总体框架

机器人技术研究平台的整体建设思路是:基于硬件资源、通信资源、软件资源、计算资源,开展专项技术研究,服务于平台上的用户,主要应用于智能制造,医疗服务,云机器人、装备健康状态监控和预测等领域。同时在专业技术方面,机器人技术研发平台主要开展人工智能技术、模拟仿真技术、通用功能模块、机电液一体化、半实物仿真技术的研究。机器人技术研发平台的主要研制方向为ROS操作系统研制及基于该操作系统的功能模块软件。整体平台建设考虑通用化、模块化、系列化,提高模块复用,压缩研发周期和成本,提高可靠性。 机器人技术研究平台主要有三条主线:项目、技术、能力,以项目促进技术,以技术充实能力。建设平台的同时,完善组织机构和平台硬件,积累过程资产,整合外部条件,其中外部条件整合主要在打造校企联盟,做好创新孵化,形成顾问团队。

图1 机器人技术研究平台框架

四、服务对象

主要服务对象为团队用户、企业用户、个人用户。其中团队用户主要为智能制造工程研究院及广州大学其他学院的科研团队;企业用户主要为在平台开展创业孵化的企业;个人用户主要为广州大学内部科研人员。

五、资源

   (1)硬件资源

表1 机器人技术研究平台硬件资源列表

序号 名称 功能 数量(套) 备注
1 双臂智能协作机器人 重量(包含底座):137.7KG;高度(带底座):1750mm;单臂展:1025mm;手臂与躯干接触面直径:330mm;自由度:共14个(每个手臂7个);底座占地面积:900*800mm;电源需求:90~264V AC;额定电流:6A;防护级别:IP50;适宜温度:0-40摄氏度;末端执行器:电动夹持器、真空吸附器;可安装ROS等开源操作系统,并支持二次开发 2 随机配件
2 单臂智能协作机器人 关节数:6;机械臂;工作半径:850 mm;机械臂重量: 18.4 kg;负载重量:5 kg;工作范围: 850 mm; 旋转: +/- 360° 度; 最大速度: 180°/s TCP速度: 1 m/s;重复精度: +/- 0,1 mm; 自由度: 6 旋转关节; 支持的通信标准: TCP/IP 100M兆通讯,适用IEEE 802.3u标准; 适用100BASE-TX通讯介质标准;以太网socket连接 和 Modbus TCP连接; 可安装ROS等开源操作系统,并支持二次开发 2 随机配件
3 四足机器人 整机重量(带电池):约22kg;负载能力:5KG;行走速度 :0.8m/s;爬坡角度:20度;电池重量:4KG;平地行走续航时间:3小时;电池容量:10500mAH*51.8V;最大允许充电电流:10A;电机编码器分辨率:0.022度;足端力传感器分辨率:约20g;;足端力传感器维数:1;足端力传感器数量:4;单腿自由度(电机数):3;整机自由度(电机数):12;平地行走功耗:200W 2 随机配件
4 iCub机器人 高度: 104CM;重量: 23-25KG;自由度: 54个电机,76个自由度;具有机器视觉和语音传感器,具有位置和运动传感器,以及外部皮肤传感器。开源的软件及硬件。开发平台多样性(LINUX、WINDOWS、OSX),不同平台可移植 2 随机配件
5 通信设备 路由器2台,交换机2台(与无人机试验平台共用) 1 随机配件
6 辅助加工设备 3D打印机1台,加工中心1台,钻床1台,工作台1个,夹钳1个 1 随机配件
7 辅助仿真测试设备 Dspace仿真器2台,万用表2台,示波器2台,烙铁风枪等(与无人机试验平台共用) 1 随机配件

   (2)软件资源

目前机器人技术研究平台主要有以下软件资源:ROS操作系统、Rapyuta软件、gazebo软件、Matlab软件、Solidworks软件、inventor软件、ansys软件、Python软件等。机器人技术研究平台的主要产品基于ROS操作系统和Rapyuta软件等开源软件,便于后续产品的升级、共享和拓展。其余专业软件主要包含软件编程、结构电气设计、结构和控制仿真软件。

   (3)通信资源

主要基于有线网络和无线局域网进行通信,包含路由器2台、交换机2台,以上资源主要依托场地共性网络资源,且此部分资源与无人系统技术研究平台共享。

   (4)人员

机器人技术研究平台人员以机器人软件功能模块开发人员为主,机器人结构、电子、仿真人员为辅,构建复合人才队伍,平台人员既负责专业技术又承担平台管理职能。

表2 无人系统研究平台硬件资源列表

序号 岗位名称 主要工作职责 人数
1 机器人硬件维护 负责机器人硬件维护、结构件加工、平台硬件设备管理 2
2 机器人仿真技术 负责机器人操作系统仿真/控制仿真 2
3 机器人驱动及通信技术 负责机器人驱动及通信 2
4 机器人软件开发 负责机器人操作系统研发,及软件功能模块研发 8
合计

14

   (5)场地

机器人技术研究平台主要产地为大学城北城投楼三层实验室,主要划分有基础加工区、人形机器人实验区、双臂机器人实验区、单臂机器人实验区,该场地与无人系统共用,同时便于与无人系统联合试验。

图2 场地装修三维效果图

六、建设方案

根据机器人技术研究平台的整体框架,依托现有资源和人员,确认机器人技术研究平台主要有三条主线:项目、技术、能力,以项目促进技术,以技术充实能力。以下从项目、技术、能力三个角度阐述。

   (1)项目

满足平台进驻资格的企业、团队和个人通过审批后,可在机器人技术研究平台上开展研究项目,项目的开展主要集中在ROS系统的开发和功能模块的开发。综合利用平台的物理资源、软件资源、通信资源、高性能计算资源,开展机器视觉、语音识别、文本识别、深度学习、感知融合、运动规划、多机协作、人机协作研究,应用于智能制造、医疗服务、云机器人、装备健康和预测管理。

   (2)技术

机器人技术研究平台主要开展人工智能技术、模拟仿真技术、功能模块开发、机电液一体化开发、半实物仿真技术,如图1所示。主要集中再人工智能技术研究和软件模块开发,且技术开发过程中注重通用化、系列化、模块化工作,提高技术成熟度和复用度。

   (3)能力

机器人技术研究平台具备以下能力:基础加工、过程资产、创新孵化、校企联盟、顾问团队。形成项目积淀和基础能力,同时整合外部资源做好校企联盟、创新孵化、顾问咨询。其中需着重做好组织过程资产管理,包含项目结题过程中的通用模块评审、通用技术评审,在完成以上评审后,做好项目归档,提炼通用模块和通用技术,便于后续项目的重用,压缩开发周期。

七、平台管理

机器人技术研究平台的管理工作主要分为:设备管理、过程资产管理、软资源管理、平台管理,日常使用流程主要为:设计模拟评估、申请登记审批、过程监督管理、结题归档管理、反馈优化提升、整体环境建设。

图3 机器人技术研究平台管理规划

平台管理。包括用户管理、工作管理、技术管理、技术服务。其中用户管理工作要做好用户准入审查及过程监管,以确保平台利用率和产出。

设备管理。平台设备主要包括无人机、无人车、通信设备、测试仪器、备件和标准件、模拟设备、计算设备。以上产品管理需要做好台账和定期状态核对和检查。

使用管理。平台设备使用的管理流程为申请—核定—批准,其中申请为平台的团队或个人用户根据技术设计需求,提出使用申请,后经平台对应责任人进行核对,最后由部门主管领导进行审批。

过程资产管理。项目执行后的组织过程资产主要包括项目日志,项目文件和管理规程。这些过程资产在项目结题后要进行总结评审,按照评审专家意见进行项目结题考评和结题归档,做好项目归档,丰富平台知识库,优化平台管理流程。

软件管理。主要包括平台周边资源拓展和整合,涉及产学研政、顾问咨询、创新孵化等。这些工作将提高平台产出,提高平台效用。

八、总结

在研究院的整体规划下,机器人技术研究平台建设主要集中于服务ROS操作系统和相关功能模块开发,以通用化、模块化、系列化推进相关技术成熟。在平台的管理上,突出主要业务,整合周边资源,统筹产学研政资源,打通技术上下游,突出人工智能技术与机器人传统技术的融合。

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